抗癌药王紫杉醇
背景材料
1963年，美国化学家瓦尼和沃尔首次从一种生长在美国西部大森林中被称为太平洋杉树皮和木材中分离到了一种粗提物，并发现该粗提物对离体培养的小鼠肿瘤细胞有很高的抑制活性。
1971年，他们同杜克大学的化学教授姆克法尔合作，通过x射线分析确定了该活性成分的化学结构一种四环二萜化合物，并把它命名为紫杉醇。
细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累使细胞停留在g2期和m 期直至死亡。
由于紫杉醇能够抑制细胞分裂，阻止癌细胞的增殖，所以可以抗肿瘤。
1992年12月29日，美国fda批准紫杉醇上市，商品名taxol，用于治疗卵巢癌，后连续被批准用于治疗转移性乳腺癌、转移性肺癌、白血病等。
在治疗类风湿性关节炎、早老性痴呆、先天性多囊肾病方面也存在潜力。
由于红豆杉分布地域较窄，而野生红豆杉的很多生物学特性，又限制了自然群落的发展，加之人为盗伐，如今全世界野生红豆杉已近濒危边缘。
只有大力发展红豆杉产业，才能有效保护野生资源，解决紫杉醇原料短缺问题。
目前有关红豆杉的研究主要集中在红豆杉植物的人工种植、化学提取、组织和细胞培养、紫杉醇的合成和化学修饰、生物转化、微生物和基因工程等方面。
其中，组织培养技术在红豆杉产业中应用最为广泛。
红豆杉组织培养技术包括两个层面：一是利用微繁技术生产大量的组培苗以满足人工栽培需求；二是通过愈伤组织或细胞悬浮大量培养，直接提取紫杉醇成分并用于药物生产。
相对于种子繁殖、人工扦插两种常规繁殖技术，微繁技术具有繁殖速度快、可控性强、植物材料利用少等突出优点，还可用于脱毒苗及新品种选育。
利用细胞悬浮培养方法提取紫杉醇是近年来红豆杉研究的一个重要课题。
自1989年首次报道细胞培养法生产紫杉醇以来，各国学者开展了广泛研究，特别是在紫杉醇生物合成途径及代谢调控、细胞培养动力学、利用生物反应器扩大培养和紫杉醇类物质的分离纯化方面取得了较大进展。
虽然紫杉醇是毒性较小的药物，但使用后仍存在一些不良反应，例如：（1）中性粒细胞减少：紫杉醇的主要毒性包括骨髓抑制（以粒细胞减少症为主）、神经毒性和肌肉毒性。
紫杉醇的毒性呈剂量依赖性，常见的是中性粒细胞减少或粒细胞减少。
（2）心血管不良反应：在紫杉醇治疗的少量患者中出现明显的心血管不良反应，包括心肌梗死、房颤、轻度充血性心力衰竭、室性和室上性心动过速、室性心律不齐等，还有胃肠道反应（包括恶心、呕吐、腹泻及黏膜炎等）。
（3）过敏反应：早期临床所报道的较严重的过敏反应在患者中的发生率高达18％。
临床有不同程度的表现：潮红、呼吸困难、血压降低、血管水肿、另外还有荨麻疹、皮疹、瘙痒等。
典型例题
例1.红豆杉是我国珍贵濒危树种。
南京中山植物园于20世纪50年代从江西引进一些幼苗种植于园内。
经过几十年的生长繁殖，现在已形成了一个种群。
请回答下列问题：（1）在植物园引种栽培红豆杉的措施属于。
（2）如果对红豆杉种群密度进行调查，常用的方法是。
将统计到的植株按高度（h）分为5级，每一级的植株数量见下表。
等级a级b级d级d级e级高度（cm）h≤1010＜h≤3030＜h≤l00100＜h≤300h ＞300数量（株）1206232166根据表中数据，在坐标图中画出该种群各级别的植株数量柱状图。
（3）由表可以看出，此红豆杉种群的年龄结构属于。
（4）研究表明，红豆杉的种子成熟后被某种鸟类吞食，果肉状的假种皮被消化而种子随粪便散播到山坡上再萌发生长。
从种间关系看，鸟类与红豆杉之间存在关系。
分析：本题考查种群密度调查方法、种群的年龄组成、种间关系、生物多样性的保护等知识，考查理解能力、信息获取能力和转化能力。
（1）由于从江西引进到中山植物园，远离原生长地进行的保护，所以称为迁地保护(易地保护)。
（2）对植物种群进行密度调查，常用样方法，活动范围比较大的动物用标志重捕法。
（3）植物高度越小，其年龄越小。
从表中可以看出，幼株（a、b级）最多，成株（d、e级）较多、老龄植株（e级）少，故为增长型。
（4）鸟类吃红豆杉的种子，是捕食关系；鸟类为种子传播提供便利，是互利共生关系。
答案：（1）迁地保护（易地保护）（2）样方法柱状图如下
（3）增长型（4）捕食和互利共生（捕食和种间互助）
例2.获得紫杉醇的传统方法是从红豆杉属植物的树皮中提取，但产量有限，也不利于对濒危的红豆杉的保护。
研究发现，红豆杉的其他组织细胞也能生产紫杉醇，有人尝试用植物细胞工程技术生产。
下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量与紫杉醇产量的数据图，请回答：
（1）从红豆杉的树皮和树叶中分离纯化出的紫杉醇，是一种对乳腺癌、白血病等癌症有特殊疗效的抗癌药物，体现了生物多样性的价值。
（2）据图分析，获得高产紫杉醇应选红豆杉为原料，培养后期紫杉醇产量出现下降的原因包括等。
（3）将红豆杉细胞经组织培养形成方可接种到培养基中。
在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌的目的是和。
（4）利用组织培养技术生产与传统方法提取紫杉醇相比，前者具有（至少答出两点）等优点。
分析：考查植物组织培养过程、种群的增长和生物多样性的价值等知识，同时考查分析推理能力。
（1）生物多样性的价值包括直接价值、间接价值和潜在价值。
药用价值属于直接价值。
（2）据图可以看出，同样的时间内云南红豆杉产生的紫杉醇最多。
培养后期紫杉醇产量出现下降的原因一方面是活细胞数量减少（从左图可以看出），另一方面是某些有毒代谢产物的积累抑制细胞的活性等。
（3）外植体经过脱分化后形成愈伤组织，从愈伤组织中可以分离有用物质。
在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌的目的是保证氧气供应充足，同时使细胞与培养液充分接触。
（4）传统方法是从树皮中提取，产量低，还砍伐红豆杉，造成环境破坏。
组织培养技术的优点是产量高、节约资源、保护环境等。
答案：（1）直接（2）云南活细胞数量减少，某些代谢产物的积累（3）愈伤组织保证氧气供应充足使细胞与培养液充分接触（4）产量高、节约资源、保护环境
习题链接
1.红豆杉中含有的紫杉醇主要存在于红豆杉细胞的（）
a.细胞膜
b.细胞质基质
c.液泡
d.细胞核
2.多囊肾病在我国是一种常见的单基因遗传病，该病严重危害人体多个系统，其主要特征为肾脏中出现多发性囊泡。
下图所示为该遗传病的家族系谱图，有关说法错误的是（）
a.多囊肾病属于常染色体上显性遗传病
b.ⅲ1与ⅲ5基因型相同的概率是1/2
c.ⅲ5与正常男性结婚，生下一个患病男孩的概率是1/4
d.从优生的角度出发，建议ⅲ1在怀孕期间进行胎儿的基因诊断
3.人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育苗生产，这是利用了该项技术的（）
a.高效性和变异性
b.多样性和遗传性
c.高效性和遗传性
d.多样性和变异性
4.紫杉醇是从红豆杉属植物中提取的最有效的抗癌制剂之一。
目前，生产紫杉醇的主要原料是天然生长的红豆杉树皮，而大量剥取树皮会造成树木的死亡和资源的破坏。
请回答问题：
（1）为了合理开发和利用红豆杉，保护野生植物资源，科研人员取生长状况相似的野生南方红豆杉和人工栽培的南方红豆杉，分别测量其不同部位完全烘干的样品中紫杉醇的含量（占干重的百分比），测定结果见表1。